Забавно, что современная цивилизация практически всецело зависит от всевозможных систем охлаждения. От промышленных и бытовых холодильников до автомобильных радиаторов и кондиционеров, используемых в дата-центрах – технологии охлаждения представляют собой большой бизнес. Незначительное повышение эффективности охладителей может привести к экономии огромных средств на счетах за электричество, обернуться появление значительно более производительных компьютеров, а также более надежных автомобилей и промышленных машин.

Исследователи в Стэнфордского университета говорят, что им удалось создать пассивную (т.е. бесплатную с точки зрения эксплуатационных расходов) радиаторную систему, которая охлаждает горячее оборудование, передавая излишки тепловой энергии непосредственно в космическое пространство. Подчеркнем, тепло отводится не в атмосферу (после чего оно, в конечном итоге, возвращается обратно), а в глубины ультра-холодного космического пространства.

Инженеры из Стэнфорда

Будь то установка для кондиционирования воздуха в машзале или связка радиатора с вентилятором внутри сервера – охлаждение сводится к одной-единственной вещи: перемещению тепла из одного места в другое. В соответствии с первым законом термодинамики (он же закон сохранения энергии для термодинамической системы), количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и совершение системой работы против внешних сил. В случае кондиционера тепловая энергия изнутри машзала выводится за его пределы – это отлично отражается на состоянии оборудования, которое находится в помещении, но не так уж и здорово для окружающей среды. Ваш холодильник и радиатор работают по тому же принципу, но в меньшем масштабе (можете потрогать обратную сторону холодильника или морозильника и лично убедиться в том, что он довольно теплый). Кроме того, не забывайте, что эти системы потребляют электричество и, таким образом, производят еще больше тепла при перемещении нежелательной / избыточной тепловой энергии во внешнюю среду.

Еще одно инновационное решение для охлаждения CPU: безвентиляторный радиатор

Этот вариант, конечно, не идеален, тем не менее, в настоящее время он самый оптимальный из всех решений, которые есть в нашем распоряжении. Но вскоре все может измениться к лучшему. Исследователи из Стэнфордского университета решили взглянуть на концепцию охлаждения горячего оборудования под новым углом. Для начала отметим, что их новое устройство (на фото вверху) является пассивным. Если вы его нагреете, оно, естественно, начнет излучать тепловую энергию. В этом нет ничего особенного. Тем не менее, устройство не может охладиться ниже температуры окружающей среды, что делает его бесполезным для систем кондиционирования воздуха, холодильной техники и большинство других похожих систем охлаждения. Чтобы обойти эту проблему, созданное специалистами Стэнфордского университета устройство излучает тепло непосредственно в космическое пространство, температура которого близка к абсолютному нулю (- 270 градусов по Цельсию или – 454 градусов по Фаренгейту). В теории, этот новый пассивный радиатор мог бы передавать избыточное тепло в космос, пока вся вселенная не будет иметь такую же температуру, как и поверхность Земли. Но мы сомневаемся, что человечеству удастся просуществовать достаточно долго, чтобы это произошло.

Иллюстрация принципа действия фотонного радиатора, созданного специалистами Стэнфордского университета. Желтым цветом обозначен отраженный солнечный свет, красным – излучение тепловой энергии в космическое пространство, в результате которого охлаждается здание (синий).

Так как же разработка инженеров из Стэнфордского университета (официально известная как охладитель на базе фотонного излучения) передает избыточную тепловую энергию в глубокий космос? Ну, радиатор состоит из семи чередующихся слоев диоксида кремния и оксида гафния. Он расположен поверх светоотражающего базового слоя из серебра. Структура материалов и расположение комендантов позволяют основанию устройства эффективно поглощать тепло, а его верхней части – излучать энергию в форме вол с определенной частотой. Речь идет о волнах в дальней инфракрасной области с длиной 8 мкм и 13 мкм. По словам исследователей, земная атмосфера является “прозрачной” для волн длиной между 8 и 13 микрометрами, благодаря чему излишнее тепло легко проходит через нее, не приводя с сгущению облаков, а также к формированию в атмосфере озоновых дыр, дополнительного диоксида углерода или что-нибудь другого, что может сохранить тепло близ поверхности Земли.

Некоторые проблемы все же никуда не делись. Во-первых, поскольку это устройство пассивное, оно по-прежнему довольно ограничено в плане эффективности охлаждении. Потолок – пять градусов по Цельсию (9 градусов по Фаренгейту) ниже температуры окружающего воздуха. Во-вторых, фотонный радиатор должен быть жестко сориентирован в пространстве: устройство должно размещаться рабочей стороной в направлении космоса (то есть его придется устанавливать на крыше вашей серверной фермы). Это означает, что вам все равно придется перемещать избыточное тепло из серверов / монтажных стоек / машзала на крышу (что вполне себе критично на самом деле). В третьих, основание радиатора имеет очень высокую отражающую способность, что может быть крайне опасно для самолетов и птиц. С другой стороны, стоит отметить, что массовое производство фотонных охладителей должно быть очень дешевым и простым. Исследователи отмечают, что серийное производство этих устройств можно наладить на любом старом заводе фотоэлектрических солнечных панелей.

Сам по себе фотонный радиатор, вероятно, не будет эффективно охлаждать ваш офис, дата-центр или дом, если вы живете в регионе, где очень жарко. Но это устройство, безусловно, более эффективно, чем использование размещенных на крыше солнечных батарей для организации электропитания системы кондиционирования воздуха. Кроме того, независимо от того, будет ли новое устройство коммерциализировано или же нет, открытие исследователей, безусловно, меняет наше мировоззрение – если изобретатели могут найти способы передачи тепла, газов и других нежелательных веществ в космическое пространство, жизнь здесь, на Земле, может стать намного экологичнее. Ну и не будем забывать о многомиллиардной экономии на счетах за электричество.